Agora temos uma imagem mais clara da dança molecular ultrarrápida que ocorre dentro da membrana que envolve cada célula do nosso corpo, revelado em parte por feixes de nêutrons no Instituto Nacional de Padrões e Tecnologia (NIST). As descobertas podem ter aplicações no desenvolvimento de medicamentos, e também abordam mistérios fundamentais de longa data sobre por que as membranas celulares se movem dessa maneira.

A pesquisa, publicado hoje em Cartas de revisão física , fornece uma nova visão sobre como os movimentos das moléculas de lipídios individuais que formam a membrana afetam suas propriedades gerais - particularmente sua viscosidade, ou resistência ao fluxo. Compreender essas propriedades é importante porque a membrana - a fronteira entre a célula e seus arredores - detém a chave para acessar seu interior.

"Descobrimos a escala de tempo em que as moléculas de lipídios estão se movendo, e nós o conectamos com a viscosidade da membrana, "disse Michihiro Nagao, um cientista do NIST e da Universidade de Maryland que realizou o trabalho com seus colegas no NIST Center for Neutron Research (NCNR). "Temos evidências de de onde vem a viscosidade, e também mostramos que nossas ferramentas podem estudá-lo. Não tínhamos uma técnica eficaz para explorá-lo antes, então é um avanço importante. "

Embora a membrana seja uma barreira nominalmente sólida entre a célula e seus arredores, as moléculas de lipídios gordurosos que o formam se abraçam alternadamente, deslizam e repartem-se continuamente, fazendo a membrana agir mais como um adesivo, fluido viscoso, como mel ou óleo. Suspensas na membrana estão proteínas de membrana e canais de transporte que funcionam como portas de entrada para o interior da célula. Até recentemente, no entanto, era difícil estudar as moléculas de lipídios com eficácia porque elas se moviam tão rapidamente que era difícil acompanhar sua dança.

"Tentar entender como os canais de proteína funcionam sem considerar a membrana é como tentar entender um peixe sem considerar a água, "disse Elizabeth Kelley do NIST." Queríamos uma melhor percepção de como os lipídios se movem. "

Visualizar esses movimentos agora é possível examinando-os com nêutrons no NCNR e raios-X do síncrotron japonês SPring-8. Cientistas das duas instalações colaboraram para obter os resultados. Eles primeiro criaram um modelo de membrana de moléculas de lipídios, cada um dos quais tem uma cabeça bulbosa que forma as superfícies externas da membrana e duas caudas que formam seu interior. Os lipídios eram essencialmente idênticos aos das membranas celulares naturais, com a exceção de que todos os átomos de hidrogênio foram substituídos por deutério, que aparece mais claramente em varreduras de nêutrons.

Uma membrana, que tem apenas duas moléculas de espessura, é essencialmente uma folha de óleo bidimensional, tornando difícil pesquisar sua viscosidade à medida que se move. Embora seja mais fácil pesquisar óleos 3D, tentativas anteriores de estimar a viscosidade de membranas lipídicas 2D a partir da viscosidade do óleo 3D correspondente não funcionaram bem. As novas descobertas indicam que empacotar os lipídios em uma membrana retarda seus movimentos e aumenta as interações entre as moléculas, levando a uma viscosidade mais alta do que um fluido 3D teria.

Os feixes de nêutrons ajudaram a equipe a explorar dois tipos de movimento molecular relacionados à viscosidade da membrana. Um tipo dizia respeito ao movimento das caudas na membrana do modelo. As caudas, que são embalados firmemente em uma camada ainda mais fina entre as cabeças dos lipídios, mova-se muito rápido, tremendo uma vez a cada 10 picossegundos, ou trilionésimos de segundo. Embora esses movimentos sejam incrivelmente rápidos, eles são na verdade uma ordem de magnitude mais lentos do que os cientistas previram a partir dos movimentos em um óleo líquido 3D, sugerindo que a estrutura da membrana 2D e as interações entre os lipídios são fundamentais para determinar sua viscosidade.

O outro tipo dizia respeito ao movimento das moléculas lipídicas completas à medida que dançavam em torno umas das outras dentro da membrana. As moléculas, acontece que, movem-se cerca de 10 vezes mais devagar do que suas caudas. A fricção que as moléculas experimentam, combinado com o atrito entre suas caudas, produz uma medida de viscosidade que fica no meio da faixa de estimativas de viscosidade que esforços de pesquisas anteriores indicaram - sugerindo que as medições são responsáveis ​​por todos os fatores que contribuem para a viscosidade.

"É uma combinação de fontes de fricção nas moléculas que cria a viscosidade da membrana, "Nagao disse." Você precisa considerar o contato das caudas, as moléculas inteiras se esfregando umas nas outras e alguns outros fatores, como as cabeças interagindo com a água ao seu redor. Mas se você colocar todas as fontes juntas, você obtém uma medição de viscosidade que está de acordo com as estimativas anteriores. "

Muitos dos dados experimentais foram obtidos usando o espectrômetro de eco spin de nêutrons, um dos cinco instrumentos CHRNS parcialmente financiados pela National Science Foundation para ajudar na exploração de materiais. Os movimentos em escala molecular revelados são relativamente fáceis de estudar usando técnicas de simulação de computador, o que significa que o conhecimento fundamental fornecido pelo experimento pode ajudar a melhorar esses cálculos e, assim, auxiliar na descoberta de medicamentos.

"Medir a viscosidade nos ajuda a entender a rapidez com que as coisas se movem na membrana e quanto tempo leva para abrir a célula, "Kelley disse." Esses tipos de percepções podem nos ajudar a projetar drogas que tiram vantagem deles. "

Esta história foi republicada por cortesia do NIST. Leia a história original aqui.